24V/20A磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

引 言

磷酸鐵鋰（LiFePO4） 電池是一種新型、高效， 采用磷酸鐵鋰材料作為正極的鋰電池，其工作原理是當(dāng)電池放電時， Li+ 從負極中脫出，經(jīng)電解液和隔膜進入正極 ；當(dāng)電池充電時， Li+ 從正極脫出，經(jīng)電解液和隔膜進入負極。該電池具有壽命超長、高安全性、污染小、體積小重量輕、電池單體電壓高， 放電平臺穩(wěn)定等優(yōu)點，但同時也存在導(dǎo)電性能較差、鋰離子擴散速度慢，振實密度低，電池組一致性較嚴(yán)重，低溫性能差， 制造成本較高等問題。

為了充分發(fā)揮其最佳性能， 需要配合電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對電源系統(tǒng)進行管理和保護。在電池使用過程中對電池的充放電電流、電壓等參數(shù)進行跟蹤、記錄、管理和控制，為電池的維護保養(yǎng)和合理使用提供更多有力依據(jù)，并增加電池使用壽命。電池管理系統(tǒng)作為電池系統(tǒng)的重要組成部分，雖然在檢測精度、可靠性和耐久性等方面取得了一定進步，但還有很多問題沒有得到解決，比如如何最大限度利用電池的電量，電池如何在變化的氣候工況下工作，電池的剩余電量如何指示，如何對電池進行快速充電， 如何延長電池的使用壽命等。

目前磷酸鐵鋰電源系統(tǒng)智能化程度低，通用互換性差， 故從電池應(yīng)用的實際需求出發(fā)，設(shè)計一個在使用中可以輸出24V/20 A 直流的磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)控制、溫度管理、均衡管理等功能，系統(tǒng)可以通過串、并聯(lián)等多種組網(wǎng)方式對外提供多種直流電。并對磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)等技術(shù)展開系統(tǒng)研究，硬件采用MKE02Z64VQH2 微控制器和MAX17830 架構(gòu)設(shè)計方案，采用ARM-M0+ 內(nèi)核的KinetisE 系列 MCU 作為系統(tǒng)的主處理器對數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行管理。

1 電池管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)首先進行數(shù)據(jù)采集工作，模塊采集電池的放電電流、電壓以及溫度等信息數(shù)據(jù)，再由控制單元（ECU）進行電流、電壓、溫度等數(shù)據(jù)的處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果由控制系統(tǒng)對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制指令，并向外界傳遞信息。據(jù)此原理，美國托萊多大學(xué)設(shè)計出了電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。在該磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖中，電池管理系統(tǒng)被簡化為 1 個ECU 和 1 個均衡器（EQU）。系統(tǒng)中 ECU 的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理和末端控制。

圖 1 所示為韓國Ajou 大學(xué)研發(fā)的電池管理系統(tǒng)。圖中展示了電池管理系統(tǒng)各模塊的基本結(jié)構(gòu)與模塊之間的邏輯關(guān)系。從車載電池應(yīng)用的實際需求出發(fā)，根據(jù)電池供電系統(tǒng)方便、簡潔、安全、高效的要求，結(jié)合電池應(yīng)用中磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)硬件設(shè)計的特殊情況，設(shè)計磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在使用過程中可輸出 24 V/20 A 直流。從整體供電進行系統(tǒng)設(shè)計和硬件設(shè)計，電池管理系統(tǒng)采用二級拓撲結(jié)構(gòu)，硬件采用MKE02Z64VQH2 和MAX17830 嵌入式結(jié)構(gòu)。

2 電池管理系統(tǒng)的基本功能

目前，國內(nèi)外所設(shè)計的電動汽車用BMS 通常具有數(shù)據(jù)采集、剩余容量（SOC）估算、電氣控制（充放電控制、均衡充電等）、安全管理和控制以及熱管理等功能。

在 BMS 中，數(shù)據(jù)濾波處理、采樣頻率和采集精度等數(shù)據(jù)采集的源頭環(huán)節(jié)非常重要。BMS 須采集每個單體電池的電壓及每個單體電池的溫度以保證磷酸鐵鋰等鋰離子電池的安全要求。

BMS 系統(tǒng)的關(guān)鍵在于確定電池的剩余容量（SOC）。傳統(tǒng)的SOC 估算方法包括開路電壓法、內(nèi)阻法、安時法等。近年來隨著控制算法的進步又相繼研發(fā)出SOC 新型算法，如卡爾曼濾波估計模型的算法、模糊邏輯算法模型的算法、自適應(yīng)神經(jīng)模糊推斷模型的算法及新出現(xiàn)的線性模型法的算法和阻抗光譜法的算法等。

電氣控制需要根據(jù)SOC 以及溫度變化來限定放電電流大?。豢刂瞥潆娺^程包括均衡充電等。電氣控制中通過結(jié)合使用電池技術(shù)和電池類型技術(shù)，設(shè)置一個控制充放電的算法，并將該算法作為充放電控制的標(biāo)準(zhǔn)，因而可最大限度提高電池利用率。

3 磷酸鐵鋰電池 BMS硬件設(shè)計

磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的核心架構(gòu)是MKE02Z64VQH2 和 MAX17830，采用M0+ 內(nèi)核的KinetisE系列MCU作為系統(tǒng)的微處理器，既可有效保障管理系統(tǒng)的高速運行，又可實現(xiàn)低功耗的目的；使用 MAX17830對系統(tǒng)的 8節(jié)磷酸鐵鋰電池進行管理。系統(tǒng)的硬件功能模塊組成包括穩(wěn)壓模塊、電壓采集與均衡模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、充放電控制模塊、通信模塊以及顯示控制模塊。

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 本系統(tǒng)采用基于 MAX17830+ ARM-M0+ 的硬件架構(gòu)進行設(shè)計，使用 KE02 微控制器對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行管理，結(jié)合實際需求，設(shè)計如圖 2 所示的系統(tǒng)架構(gòu)。

該系統(tǒng)由額定電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰8 節(jié)單體電池串聯(lián)， 電壓采用通道 8 路的方法，需要在設(shè)計上通過MAX17830 電壓管理芯片來完成磷酸鐵鋰電池的電壓信息采集工作，并通過AD 采樣的KE02 主控制器將MAX17830 模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，用于模擬數(shù)字和后續(xù)處理。整個系統(tǒng)的溫度檢測采用DS18B20 與鉑電阻溫度計相結(jié)合的策略，對整個系統(tǒng)的溫度進行檢測和監(jiān)控，使用加熱模塊控制電池溫度，改善低溫運行狀況。KE02 主控制器負責(zé)數(shù)據(jù)的處理和分析，對電池的健康狀態(tài)進行評估，控制系統(tǒng)的充、放電狀態(tài)，并通過串口和液晶屏進行信息交互。此外，本系統(tǒng)外掛的SPI 存儲芯片可存儲重要的數(shù)據(jù)。

若長時間使用會影響磷酸鐵鋰電池的安全性和壽命，因此需要對電池組進行均衡管理。該均衡管理系統(tǒng)采用電池均衡管理活動下的均衡管理策略，使用飛思卡爾生產(chǎn)的KE02 系列芯片進行電池電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換任務(wù)，由于 KE02 芯片的工作電壓為 5 V，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換的最大轉(zhuǎn)換電壓為 5 V，如果直接對電池組進行檢查則會超出測量量程，無法實現(xiàn)電壓采集功能。為解決這一問題，使用電壓采集芯片MAX17830 進行電池電壓的采集工作，KE02 芯片控制MAX17830 芯片打開對應(yīng)的電壓通道，實現(xiàn)對指定電池端電壓的采集，且可通過MAX17830 芯片內(nèi)部集成的MOS 驅(qū)動陣列實現(xiàn)對電池組的均衡管理。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)車載應(yīng)用的實際需求和電池應(yīng)用的特殊環(huán)境， 以及車載磷酸鐵鋰電池方便、簡潔、安全、高效的需求，從整體供電進行系統(tǒng)設(shè)計和硬件設(shè)計。電池管理系統(tǒng)采用二級拓撲結(jié)構(gòu)，硬件采用MKE02Z64VQH2 和MAX17830 嵌入式結(jié)構(gòu)，研究了數(shù)據(jù)采集，狀態(tài)監(jiān)控，安全管理等方面的問題， 并設(shè)計了具體的應(yīng)用電路，該系統(tǒng)可以輸出 24 V/20 A 直流電。